懷洪新河山西莊閘工程運行管理實施自動化控制改造的設想

張體育

一、工程概況

懷洪新河山西莊閘位于懷洪新河香（澗湖）沱（湖）引河與五（河）固（鎮）公路交匯處，距五河縣城西約14km。該閘主要承擔香澗湖和沱湖分蓄、引水、航運等任務，并具有分洪、排澇功能。設計分洪時最大流量1150m3/s，5年一遇排澇流量420m3/s，該閘工程等級為II等二級，投資1691萬元。該閘為開敞式鋼筋混凝土結構，共7孔，單孔凈寬10m，并在水閘中孔設置通航孔，通航孔為鋼筋混凝土U型結構，閘室長24m，凈寬10m。通航孔上閘首利用節制閘工作門，下閘首閘門為新建，閘門及啟閉機型號同上閘首閘門。

二、工程運行管理的現狀

安徽懷洪新河五河縣山西莊閘管理所成立于2000年3月，為安徽懷洪新河五河縣河道局直屬單位，主要負責山西莊閘的日常運行管理及養護維修工作。由于受編制所限，管理人員較少，無法滿足日常管理工作需要。在日常管理及閘門操作工作中亟待改造為自動化控制方式以滿足日常運行管理工作的需要。

三、自動化控制改造設想

1.必要性

山西莊閘建于1998年，閘門監控系統原設計是現地控制為主，強電集中控制為輔，用設計信號燈等顯示閘門位置與其他開關量信號，閘門開度只在現場有模擬量顯示，無法傳輸采集模擬量，必須人工進行現場啟閉操作。

2.可能性

目前，隨著計算機技術的快速發展和SCADA等工業控制技術的日趨成熟，采用計算機、PLC、網絡、智能閘門測控儀（開度儀）、旋轉編碼器、閘位傳感器、水位計、上位機監控軟件等多種現代技術，閘門的遠程實時監控已經普遍應用。

3.優越性

閘門自動化遠程監控系統就是通過計算機監控系統采集閘門上下游水位、閘門狀態、開度、荷重、運行實時工況的視頻圖像等信息，并根據實測水文資料，通過上位機監控系統軟件的分析、判斷、計算，進行科學控制調節，從而實現閘門的優化、安全、經濟運行。采用計算機人機界面的操作方式，控制方式以遠程監控為主、現場就地控制為輔，從而實現遠程集中控制、實時監視設備運行，力爭實現閘門調度無人值班、少人值守的自動化目標。

四、遠程監控系統構成

1.系統組成

閘門遠程監控系統主要由數據采集系統、啟閉控制系統、安全保障系統、視頻監視系統、語音報警系統、WEB發布系統等幾部分組成。

數據采集系統負責上下游水位、閘門開度等開關量和模擬量的采集；啟閉控制系統負責閘門升、降、停的控制；安全保障系統則是確保閘門運行時，無論出現任何非正常工況都可以迅速地安全終止操作，保護設備安全；前臺計算機監控系統主要負責對采集的數據進行處理、分析、判斷，提供較為直觀友好的人機界面；語音報警系統除了對設備運行異常情況進行報警外，還可以在閘門啟閉前進行語音提示；WEB發布系統則可以對閘門的運行工況，如水位、流量、開度、運行孔數、荷重等參數進行對外發布，以供其他人員瀏覽；視頻監視系統負責攝取和存儲啟閉機房內外、上下游河道等重點監控點的圖像，并同時具備通過IE進行遠程WEB瀏覽功能。其中數據采集系統由各種傳感器完成；啟閉控制系統由PLC完成；安全保障系統由數字電子限位、機械限位、機械荷載超限、工作超時、啟閉機過電流、方式閉鎖等多重保護功能組成，確保閘門運行安全可靠；計算機監控系統、語音報警系統、WEB發布系統由前臺監控計算機完成；視頻監視系統及遠程瀏覽可以通過硬盤錄像機實現。

上下游水位、閘門開高、荷重等以4～20mA模擬量格式送至PLC，閘門位置等開關量信號同樣由PLC采集。用硬盤錄像機視頻進行監控、采集、傳輸、發布，這種控制方式遠程計算機可以通過IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 控制現地計算機完成閘門控制調度，但鑒于PLC與硬盤錄像機具備了以太網通訊接口，因此推薦遠程計算機直接控制PLC，這種方式更直接、更可靠。

2.現地級的控制設備

PLC作為工業控制的現場重要單元（LCU），具有強大的邏輯功能、穩定性、抗干擾能力。通過PLC來實現閘門的遠程監控，無論是技術先進性還是遠期投資效益都遠非其他設備可比。另外工業以太網技術日趨成熟，基于MODBUS TCP/IP協議的工業以太網工控產品不斷推出，更是極大地推動了工業領域遠程監控方式的改變。網絡結構可以是星形，也可以是環網；網線可以用多模光纖，也可以用超五類雙絞線等。

3.遠程監控主要設備的選擇

（1）以太網交換機

從工程運行可靠性上考慮，以太網交換機建議選擇工業級以太網交換機，可靠性高、抗干擾，如CISCO、MOXA等，最好支持環網。

（2）PLC（可編程序控制器）

鑒于閘門控制的測點較少，邏輯控制較為簡單，在PLC的選擇上傾向于小型化、智能化產品，僅需配置必要的I/O模塊、模擬量模塊即可。

（3）水位計

從產品的可靠性、技術性能上來看，雖然VEGA水位計價格較高，但鑒于其具有的高性能、高精度，建議選擇。

（4）閘位計及編碼器

建議選擇GP-1312通用位移控制儀，與高精度HEIDENHAIN旋轉編碼器配合使用，可實現對閘門的高精細控制。支持4～20mA標準電流信號和4～8個開關量輸出。

五、結束語

隨著計算機技術的快速發展，基礎設施的逐步改善，光纖的逐步普及，閘門遠程自動化監控設計理念已經日趨成熟。通過遠程自動化監控設施進行閘門控制，將逐步實現“無人值班、少人值守”的目標，從而推動閘門現代化管理水平的不斷提高